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摘 要

二氧化碳的过度排放会导致大气层被破环和气候的恶劣变化。罗尔斯通菌（Ralstonia eutropha )代谢形式灵活多样，在缺乏有机碳源或能源时能够以氢气和二氧化碳作为唯一的能源和碳源生存，因此成为了固定二氧化碳研究的理想实验对象。微生物电合成(MES)是一种非常有前景并且绿色可持续的技术，能够通过向以二氧化碳和氢气为碳源和能源进行生长代谢的微生物提供电能来形成细胞内进行有机催化反应的还原当量，从而把二氧化碳还原为高附加值的有机化合物，达到降低二氧化碳对生态环境污染的目的。微生物电合成体系的反应器分为两类，单室反应器和双室反应器。双室反应器可以为实验菌株提供严格的厌氧环境，但是Ralstonia eutropha 作为兼性厌氧菌，在严格厌氧环境下并不能正常生长，所以Ralstonia eutropha 固定二氧化碳的研究主要使用单室电化学反应器。通过恒电流法和恒电位法两种方法在单室反应器中分别培养Ralstonia eutropha，同时测定固定二氧化碳的产物——聚羟基丁酸酯（PHB）的产量，实验表明恒电流法不适合于Ralstonia eutropha的生长；在使用恒电位法对Ralstonia eutropha进行培养时，Ralstonia eutropha能够正常生长并且存在最适生长电压。

关键词： 固定二氧化碳 罗尔斯通菌 微生物电合成 聚羟基丁酸酯

Study on the fixation of carbon dioxide by Ralstonia eutropha H16

Abstract

Excessive emissions of carbon dioxide will cause the atmosphere to be broken and the climate to change badly. Ralstonia eutropha has a flexible and diverse metabolic form, and can survive with hydrogen and carbon dioxide as the only energy source and carbon source in the absence of an organic carbon source or energy source. Therefore, it has become an ideal experimental object for fixed carbon dioxide research. Microbial electrosynthesis （MES）is a very promising and green sustainable technology. It can provide carbon dioxide and hydrogen as the carbon source and energy for the growth and metabolism of microorganisms to provide electrical energy to form a reduction equivalent of organic catalytic reactions in the cell, thereby reducing Reducing to high value-added organic compounds, to achieve the purpose of reducing carbon dioxide pollution to the ecological environment. Microbial electrosynthesis system reactors are divided into two categories, single-chamber reactors and double-chamber reactors. The dual-chamber reactor can provide a strict anaerobic environment for the experimental strains, but Ralstonia eutropha, as a facultative anaerobic bacterium, can not grow normally under the strict anaerobic environment, so the research of Ralstonia eutropha fixed carbon dioxide mainly uses single-chamber electricity Chemical reactor. Ralstonia eutropha was cultivated in the single-chamber reactor by the two methods of galvanostatic method and galvanostatic method, and the production of polyhydroxybutyrate （PHB）, a product of fixed carbon dioxide, was measured at the same time. The experiment showed that the galvanostatic method was not suitable for the growth of Ralstonia eutropha; When Ralstonia eutropha was cultured using potentiostatic method, Ralstonia eutropha was able to grow normally and there was an optimal growth voltage

Keywords: fixed carbon dioxide；Ralstonia strain ；MES； PHB

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 罗尔斯通菌固定二氧化碳 1

1.1.1二氧化碳的固定 1

1.1.2 Ralstonia eutropha H16固定二氧化碳及其培养 1

1.2微生物电合成 2

1.2.1微生物电合成体系 2

1.2.2 Ralstonia eutropha H16的MES体系 3

1.3 聚羟基丁酸（PHB) 4

1.3.1聚羟基丁酸的理化性质及用途 4

1.3.2 聚羟基丁酸的测定 5

1.4课题来源及研究内容 5

1.4.1课题来源 5

1.4.2本课题研究内容 5

第二章 材料与方法 6

2.1 菌株 6

2.2 主要实验试剂 6

2.3 主要实验仪器 7

2.4 培养基 7

2.5 Ralstonia eutropha H16的菌株鉴定——NCBI比对 9

2.6 Ralstonia eutropha H16的保藏 9

2.7 罗尔斯通氏菌电化学系统的搭建和运行 9

2.7.1电化学系统实验装置 10

2.7.2电化学系统搭建实验步骤 10

2.8 实验分析方法 11

2.8.1标准曲线的绘制 11

2.8.2 聚羟基丁酸（PHB）的测定 11

第三章 结果与讨论 14

3.1 Ralstonia eutropha H16菌株鉴定结果 14

3.2 Ralstonia eutropha H16的生长曲线 15

3.3 Ralstonia eutropha H16的气体发酵实验 16

3.4 Ralstonia eutropha H16在单室电化学反应器中的实验结果 16

3.5 聚羟基丁酸（PHB）的测定结果 18

第四章 总结 20

4.1 结论 20

4.2讨论与展望 20

参考文献 21

致谢 24

第一章 文献综述

1.1 罗尔斯通菌固定二氧化碳

1.1.1 二氧化碳的固定

二氧化碳是一种对环境影响最大的温室气体，所以对二氧化碳的合理排放及处理变得至关重要。二氧化碳最理想的处理方法就是将二氧化碳还原为高附加值的有机化合物，该过程又称为二氧化碳的固定过程。

二氧化碳固定的方法主要有三种，分别为化学法、物理法和生物法。用化学方法固定二氧化碳时，制得增值化合物的同时大多会产生毒副产物, 并且消耗大量能量, 对环境造成二次污染；物理法也一样，会消耗大量能量。与物理法和化学法相比，生物法固定二氧化碳不仅不需要高温高压等耗能条件，而且还能产生高附加值的有机物。生物法固定二氧化碳就是某些生物能够以光能和/或电能作为还原力在温和的反应条件下进行二氧化碳的固定。光能或者电能是通过微生物体内特定的催化反应转化成反应中间体，再利用这种中间体驱动二氧化碳还原为高附加值的有机化合物，又或者通过微生物或酶吸收电子和二氧化碳在体内反应后，转化为有机化学物质或其自身生长代谢所需的营养物质。该方法在产生了高附加值的有机化合物的同时，还加速了生态系统中的碳循环。^[1]绿色植物进行二氧化碳固定是在其体内的叶绿体中，通过一个专属的酶促机构还原二氧化碳为有机物；自养微生物固定二氧化碳则是通过以二氧化碳为唯一碳源进行生长代谢，在自身体内将二氧化碳还原为高附加值有机物。但是地球上还是有绿色植物不能正常生长的特殊环境（比如海洋、污染严重的地方等）, 因此自养微生物的固定二氧化碳的优势就显示出来了。^[2]自养型微生物可以分为两类，一类是光能自养型微生物，利用可见光作为能源；而另一类是化能自养型微生物，以氢、硫化氢等无机电子供体作为能源。这两类自养微生物均以二氧化碳为唯一碳源。

1.1.2 Ralstonia eutropha固定二氧化碳及其培养

罗尔斯通氏菌，其原名富营养小球藻（Ralstonia eutropha），是革兰氏阴性细菌，自从1970年代以来已经被广泛用于研究。并且罗尔斯通氏菌的基因组测序已经完成，有大量的遗传工具可用于此种生物，使得该菌株的生物遗传工程成为可能。由于罗尔斯通氏菌拥有非常灵活多样的新陈代谢途径，所以该菌株对生物科技产业有很大的作用，这也就意味着它可以在与生产工业相关的多种碳源和能源上生长，有机底物（例如有机酸和糖等）甚至废品（例如甘油或废脂等）都可以用作罗尔斯通氏菌生长所需的碳源和能源，除了具有异养营养性质以外，罗尔斯通氏菌还具有自养营养的性质，因此还可以把二氧化碳作为无机碳源、氢气作为能源，通过卡尔文-本森-巴瑟姆（CBB）循环（自养营养代谢）固定二氧化碳 ^[1] 。在异养营养和自养营养条件下，罗尔斯通氏菌固定二氧化碳已经生产出多种可溶性的产品（例如异丁醇、异戊醇、聚羟基丁酸PHB、PHA等）^[3] 。

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